코로나19: 모든 변이 대응 가능한 '범용 백신'을 찾아라

1980년대 중반 미 동부 메릴랜드주의 국립보건원(NIH)에서 박사과정 중이었던 조나단 히니는 서부 오리건주에서 포획된 치타 한 무리를 갑작스럽게 죽음으로 몰고 간 미스터리한 질병을 조사하게 됐다.

그가 코로나바이러스를 처음으로 마주한 사건이었다.

"결국 집고양이에서 치타로 코로나바이러스가 퍼진 것임을 알게 됐다"는 히니는 "치타는 새로운 숙주였기에 치사율이 높았다. 그것이 나와 코로나바이러스와의 첫 만남이었다"고 회상했다.

40년이 지난 지금 히니는 영국 케임브리지에 본사를 둔 생명공학기업인 '디오신백스(DIOSynVax)'를 이끌고 있다.

빌 앤 멀린다 재단, 인도 및 노르웨이 정부, 세계경제포럼(WEF)뿐만 아니라 최근엔 전염병예방혁신연합(CEPI)으로부턴 4200만달러(약 550억원)의 보조금을 지원받기도 한 기업이다.

히니 최고경영자(CEO)와 같은 생명공학자들에겐 오랫동안 극복하기 힘들다고 증명된 난제가 있다.

바로 단일 코로나바이러스뿐만 아니라 여러 변이체를 포함해 코로나바이러스과에 속한 모든 바이러스에 대항할 수 있는 '범용 코로나바이러스 백신'의 개발이다.

20여 년간 범용 인플루엔자 백신 개발을 위해 노력했으나 별다른 성과가 없는 상황에서 만약 범용 코로나바이러스 백신 개발에 성공한다면, 바이러스학 역사상 견줄 데가 없는 업적을 세우는 셈이다.

이 난제의 어려움과 또 이를 풀려는 야심을 지난 40년대의 악명높은 '맨해튼 계획'과 비유하는 이들도 있다. 당시 물리학의 한계를 뛰어넘어 전 세계 최초로 원자폭탄 개발로 이어진 계획이다.

한편 범용 코로나바이러스 백신 개발에 전례 없는 규모의 지원이 몰리고 있다. 전염병예방혁신연합(CEPI)은 초기 예산으로 약 2억달러를 책정했으며, 국립보건원(NIH)은 3600만달러의 지원금을 추가했다.

전 세계 최초로 코로나19 백신을 개발한 기업 중 하나인 미국의 모더나사 또한 감기를 유발하는 코로나바이러스 4종을 모두 막을 수 있는 백신을 개발하겠다는 의사를 밝히며 뛰어들었다.

히니 CEO는 지난 몇 년간 에볼라, 마버그바이러스, 라사바이러스 등 다양한 바이러스성 출혈열 예방을 위한 단일 백신 개발에 힘썼기에 그 누구보다 이 분야를 잘 알고 있다.

히니 CEO는 "접근법은 비슷하다"면서 "구조 생물학, 유전학, 바이러스에서 일어나는 혹은 일어나지 않는 변화 등을 탐구하는 과정"이라고 설명했다.

MERS-CoV(메르스)와 같이 인간을 감염시킬 수 있는 많은 코로나바이러스는 코로나바이러스과 코로나바이러스아과 베타코로나바이러스속에 속해있다

'변이 예방' 백신

과학자들은 코로나바이러스과에 속한 모든 바이러스를 막을 수 있는 진정한 의미의 범용 코로나바이러스 백신이 미래에 개발된다면 인류 보건사의 판도가 바뀔 것이라고 입을 모은다.

특히 지난 20년간 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스(SARS-CoV, 사스), 중동호흡기증후군 코로나바이러스(MERS-CoV, 메르스)뿐만 아니라 신종코로나바이러스감염증(코로나19) 사태의 주범인 제2형 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)이 창궐하면서 이러한 목소리가 나오고 있다.

'인간 백신 프로젝트'의 회장 및 CEO인 웨인 코프는 "범용 코로나바이러스 백신은 굉장한 발전 성과일 것"이라면서 "이를 위해선 대규모 협력이 필요하지만, 조금씩 진전이 있을 것으로 예상한다"고 밝혔다.

그러나 이를 통해 범코로나바이러스 백신 연구는 정점으로 향하겠지만, 실제로 범용 백신이 개발될 수 있을진 두고 봐야 할 문제다.

범용 백신 등 효과 범위를 확장하기 전에 우선 다양한 중간 목표를 세우고 실현하는 게 더 현실적이라는 일부 의견도 있다.

결과적으로 범용 코로나바이러스 백신 개발을 향한 현실적인 첫 단계는 소위 '변이 예방' 백신 개발일 가능성이 크다.

현재 알려진 제2형 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2) 변이뿐만 아니라 미래에 출현할 수 있는 변이체까지 모두 막아내는 백신으로, 현재 팬데믹 상황이 최악으로 치닫는 것을 끝낼 수 있다.

2020년 9월 알파를 시작으로 델타, 오미크론, 그리고 오미크론 하위변종인 BA.4와 BA.5에 이르기까지 지속해서 변이체가 출현하면서 입원 환자 수가 급증하고 있기에 이러한 백신에 대한 수요는 여전히 높다.

변이 예방 백신 개발을 위해 미 정부의 지원을 받는 기업 및 단체 6곳 중 하나인 '이뮤니티바이오'사의 패트릭 순-시옹 CEO는 "변이 예방 백신은 코로나19 바이러스의 전염을 늦출 수 있고, 이러한 전염을 막는 것만이 팬데믹에서 벗어날 유일한 방법"이라고 말했다.

이를 위해 과학자들은 백신 기술을 다양한 측면에서 살펴보고 연구하고 있다. '아데노바이러스'로 알려진 변형돼 무해한 바이러스에서부터 페리틴 나노입자를 이용한 백신, 자가 증폭형 RNA 백신에 이르기까지 다양하다.

자가 증폭형 RNA 백신은 면역 단백질을 생산하도록 유도하는 mRNA 백신과 유사하나, 자가 증폭이 가능한 효소를 생산하게 함으로써 면역 유지 기간도 길어지고 여러 번 접종하지 않아도 된다.

코프 CEO는 "다양한 연구와 기술은 도움이 된다"면서 "예를 들어 mRNA 관련 방식을 통해 속도를 높일 수 있는 반면 다른 기술들은 전 세계 보급의 용이성이나 내성 측면에서 추가적인 성과로 이어질 수 있다"고 덧붙였다.

각 기술에 담긴 아이디어는 기본적으로 거의 유사하다. 즉 나노입자로 운반하든 아데노바이러스로 운반되든, 각 백신엔 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질(바이러스가 인체 세포에 들어갈 때 활용하는 돌기 형태의 단백질)과 뉴클레오캡시드 단백질(유전물질이 저장되는 곳) 조각이 조금씩 들어있다.

몇몇 백신 제조사는 면역 반응 범위를 높이기 위해 이 조각을 가능한 한 많은 조각을 넣으려고 하는 반면, 다른 제조사들은 지금까지 새로운 변종이 계속 출현해도 변하지 않고 바이러스 내에서 이어지는 듯한 특정 부분에 초점을 맞추고 있다.

일례로 미 듀크대의 바이러스학자들은 '수용체 결합 부위(RBD)'로 알려진 스파이크 단백질 내 특정 부분을 집중적으로 살펴보고 있다. 동일 코로나바이러스 내 변이 바이러스 간 차이가 적은 것으로 보이기 부분이다.

듀크대학 '인간백신연구소'의 케빈 손더스 소장은 "바이러스의 취약한 부위인 RBD에 면역 체계를 집중하도록 백신을 설계했다"면서 "RBD의 아미노산 서열은 베타코로나바이러스속 바이러스 간 유사하다"고 설명했다.

이렇듯 워낙 복잡하다 보니 코로나19 백신이 처음 개발됐을 때 비해 진행은 더딜 전망이다.

현재 제 1상 임상시험(처음으로 인체를 대상으로 진행하는 시험) 이상을 통과한 변이 예방 백신 후보는 아직 없지만, 초기 데이터는 충분히 가능성이 있어 보인다.

올해 초 미국 생명공학 기업인 '그리스톤 바이오'는 자사 변이 예방 백신 후보 물질이 광범위한 바이러스 단백질을 인식하도록 인체 면역 체계를 훈련할 수 있다고 보고했으며, 작년 6월에는 '이뮤니티바이오'사가 자사 백신이 SARS-CoV-2의 알파, 베타, 감마 변이체 모두에 대한 면역 반응을 유도했다고 밝혔다.

순-시옹 CEO는 "'이뮤니티바이오'사의 백신은 바이러스에 대항해 항체를 대규모로 방출하는 기억 B세포뿐만 아니라 감염된 세포를 죽인 T 세포도 생성했다"면서 "바이러스가 체내에서 퍼지는 걸 막았기에 코나 폐에서 더 이상 바이러스가 검출되지 않았다"고 설명했다.

이 중에서도 '월터 리드 미 육군 연구소(WRAIR)'의 연구가 가장 흥미롭다. 이 연구소는 개발한 백신 후보 물질이 비인간 영장류에 실험했을 때 원래의 사스바이러스 뿐만 아니라 다양한 코로나바이러스 변이체에 대한 면역 반응도 일으킨다는 것을 발견했다. 올해 후반부터 임상 2단계에 돌입할 계획이기에 임상 1단계 연구 자료도 곧 발표될 것으로 보인다.

80년대 당시 국립보건원(NIH)에서 박사과정 중이었던 조나단 히니는 집고양이에서 치타로 코로나바이러스가 번졌음을 확인했다

감기 정복하기

한편 경쟁이 치열한 코로나19바이러스 백신 개발보단 다른 범코로나바이러스 백신 개발에 몰두한 과학자들도 있다.

작년 초 미 매사추세츠주 케임브리지에 있는 모더나 연구소 연구팀은 SARS-CoV-2가 어떻게 계속 진화를 거듭했는지 이해하는데 관심을 돌리면서 고질적으로 자리 잡은 것으로 알려진 코로나바이러스 4종을 조사하기 시작했다.

이들 바이러스는 'OC43', 'HKU1', '229E', 'NL63'이라는 익숙지 않은 이름을 지녔지만, 대부분 사람이 살면서 한 번쯤 알게 모르게 접했을 것이다.

성인 감기 원인의 약 30%를 차지하는 이들 바이러스는 물론 SARS-CoV-2보다는 치사율이 매우 낮지만, 면역력이 취약한 환자들에겐 하기도감염증이나 폐렴을 초래할 수 있다.

안드레아 카르피 모더나 감염병 부서 최고과학책임자(CSO)는 이들 4종의 단백질 서열의 공통점 연구를 통해 노인층 및 면역저하자 등 감염취약자를 이들 바이러스로부터 보호할 수 있는 백신을 개발할 수 있다고 본다.

카르피 CSO는 "특히 이러한 계절성 호흡기 바이러스에 감염돼 입원하거나 사망하는 노인 비율이 상당하다"면서 "감기에 걸리기 좋아하는 사람은 아무도 없고 또 감기에 걸리면 불편한 것도 맞지만, 감염취약자들이 감기에 걸렸을 때 중증으로 번지는 것을 방지하는 게 이 백신 개발의 목표"라고 설명했다.

다른 코로나바이러스 그룹에 대한 백신 개발을 목표로 하고 있기에 이 자체로도 이미 야심만만한 목표라고 할 수 있다.

그러나 이보다 더 높은 목표를 바라보는 과학자들도 있다. 기존 바이러스에 대한 백신 설계를 넘어 미래 팬데믹에 대한 준비를 미리 시작하겠다는 것이다.

미 캘리포니아 공대의 파멜라 비요크만 생물학 및 생물공학과 교수는 사르베코로나바이러스(SARS, 메르스, SARS-CoV-2 등이 속한 아속) 백신 개발 프로젝트를 주도하고 있으며, '디오신백스'사 연구진은 사르베코로나바이러스아속을 포함하며 더 상위 분류인 베타코로나바이러스속 전체를 목표로 한 백신을 개발 중이다. (베트코로나바이러스속의 아속은 4가지다.)

범 베타코로나바이러스 백신이 범용 코로나바이러스 백신은 아니다. 베타를 제외한 다른 알파, 감마, 델타 코로나바이러스속에는 면역 반응을 일으키지 못하기 때문이다. 그렇지만 여전히 이 또한 어려운 과제이긴 마찬가지다.

박쥐 400여 종에서 베타코로나바이러스속에 속한 아직 발견되지 않은 바이러스 종류가 수천종에 이를 것으로 추정된다는 사실을 생각해보면 얼마나 어려운지 짐작해볼 수 있다.

카르피 CSO는 "범 베타코로나바이러스 백신을 개발하겠다는 건 야심 찬 일"이라면서 "베타바이러스 종류가 정말 다양하다는 문제와 강력한 바이러스 감시 체제를 마련해야한다는 주요 과제가 있다. 바이러스는 우리가 세운 전략의 허점을 잘 찾아 악용하기 때문"이라고 말했다.

한편 히니 CEO는 현재 백신 개발 전략의 대부분이 본질적으로 원시적인 단계에 머물러 있기에 제한이 있다고 여긴다. 그렇기에 면역 반응 범위를 높일 수 있다는 희망으로 가능한 한 많은 바이러스 조각을 백신에 넣는 대신, 더 정교한 컴퓨터 모델링 기법을 추진하고 있다.

모든 코로나바이러스에 효과가 있는 백신은 새로운 팬데믹 예방에도 도움이 될 뿐만 아니라 감기로부터도 사람들을 어느 정도 보호할 수 있을 것이다

히니 CEO의 '디오신백스'사 연구진은 최신 기계학습(ML) 알고리즘으로 베타코로나바이러스속에 속한 바이러스들의 구조와 진화 형태를 조사하고 있다. 바이러스의 생존에 있어 필수적이나 지금까지 간과했던 백신 표적을 찾기 위함이다.

히니 CEO는 "깊은 연구가 필요하다. 피상적으론 접근할 수 없다. 스파이크 단백질 너머를 보고 있기 때문"이라면서 "스파이크 단백질은 바이러스의 가장 가변적인 단백질 중 하나이기에 (기존 방식은) 언제나 움직이는 표적을 맞히려고 하는 꼴이다. 그러나 우린 바이러스의 구조 및 생존 상 근본적으로 중요한 단백질에 집중하고 있다. 그것들을 바꾸는 것은 DNA를 바꾸는 것과 같기 때문"이라고 설명했다.

범용 인플루엔자 백신 개발의 실패

지난 1년 동안의 여러 연구 덕에 광범위한 코로나바이러스 백신 개발이 실현 가능하다는 희망이 커지고 있다.

일례로 지난해 가을 싱가포르 듀크-NUS 의과대학의 유명한 바이러스학자인 린파 왕 교수는 화이자-바이오엔텍 COVID-19 백신을 맞은 사스 생존자들을 연구한 결과 이들의 혈액에 사스바이러스뿐만 아니라 SARS-CoV-2의 알파, 베타, 델타 변이체 및 박쥐와 천산갑에 기생하는 다른 코로나바이러스 5종에 대항할 수 있는 항체가 있음을 발견했다.

그 이후엔 미 매사추세츠에 본사를 둔 생명공학 기업인 '아다지오 테라퓨틱스'사 연구진이 사스 환자의 기억 B세포를 연구한 결과 여러 베타코로나바이러스속 바이러스에 효과적인 중화 항체를 지니고 있음을 알아냈다.

한편 국립보건원(NIH)에서 바이러스성 질병의 발병기전과 진화를 제프리 타우벤버거 수석연구원은 완전한 의미의 범용 코로나바이러스 백신 개발은 불가능할 수도 있지만, 이러한 앞선 연구는 사르베코로나바이러스아속 또는 베타코로나바이러스속 백신이 실제로 개발될 수도 있음을 시사한다고 설명했다.

"코로나바이러스는 종류가 정말 다양"하기에 "모든 코로나바이러스과 바이러스에 대해 효과 있는 광범위한 백신 개발은 단기적으로 매우 어려울 것이며, 이에 베타코로나바이러스속 백신 개발 등이 더 현실적인 목표"라는 것이다.

한편 범인플루엔자 백신 개발은 지금까지 실패했는데 범코로나바이러스 백신은 개발 가능한지에 대한 중요한 질문을 던져볼 수 있다.

국립보건원(NIH)의 국립 알레르기 및 전염병 연구소(NIAID)는 매년 약 2000만달러의 예산을 투입해 범인플루엔자 백신 개발에 힘쓰고 있지만, 별다른 진전을 보이지 못하고 있기 때문이다.

그러나 일반적으로 코로나바이러스는 비교적 돌연변이를 쉽게 일으키지 않기에 더 수월할 수도 있다는 희망이 있다.

현재 인간을 감염시키는 코로나바이러스로는 사스, 메르스 SARS-CoV-2바이러스 등을 포함해 7종이 알려져 있으며, 박쥐와 같은 다른 동물에선 더 다양한 코로나바이러스 종류가 확인됐다

비요크만 교수는 "현재 SARS-CoV-2의 변이체가 창궐하고 있는 건 사실이지만, 일반적으로 코로나바이러스는 인플루엔자 바이러스보다 돌연변이를 일으킬 가능성이 적다"면서 "돌연변이를 일으킬 확률이 본질적으로 낮은데도 전 세계적으로 수많은 사람들이 SARS-CoV-2 바이러스에 걸리면서 돌연변이를 일으킬 좋은 기회를 제공한 것"이라고 설명했다.

한편 아직 인간에겐 감염을 일으키지 않은 코로나바이러스에 대한 백신의 효과에 관한 연구도 범코로나바이러스 백신 개발을 향한 노력에 힘을 보태고 있다.

일례로 매사추세츠주 케임브리지에 본사를 둔 'VBI 백신'사는 범사르베코로나바이러스 백신을 개발 중이다.

비요크만 교수의 연구진과 비슷한 접근법을 취하고 있는데, 박쥐와 천산갑에서 발견되는 다양한 코로나바이러스의 유전자 서열을 추출해 유전적으로 변형돼 복제가 불가능해져 무해한 위형 바이러스에 삽입하는 방식이다. 이 덕에 과학자들은 새로운 병원균에 대항한 백신을 시험할 수 있다.

지금까지 'VBI 백신'사의 백신은 SARS-CoV-2와 가까우나 현재 박쥐에서만 발견되는 코로나바이러스인 RaTG13뿐만 아니라 SARS-CoV-2 델타, 베타, 오미크론, 람다 변이체에 대해서도 강력한 중화 반응을 일으켰다.

과학자들은 2024년까지 최초의 변이 예방 코로나19 백신이 개발될 것으로 기대하고 있다.

이렇게 되면 여러 변이체로부터 인체를 보호할 수 있는 백신 예방 접종 물결이 일어날 것이며, 이는 현대 보건의료에서 중요한 이정표가 될 것으로 보인다.

손더스 소장은 "효과적인 범코로나바이러스 백신을 개발하기 위해선 독창성과 끈기가 필요할 뿐만 아니라, 세계적으로 적용하고 유용해야 하므로 해당 백신은 매우 획기적인 발견이 될 것"이라고 말했다.

"코로나바이러스과에 속한 바이러스들은 이미 여러 차례 치명적인 감염병 사태를 일으켰고, 또 다른 감염병이 유행할지도 모릅니다. 미래 감염병으로부터 인류를 지킬 수 있는 백신의 개발은 세계 보건 분야의 엄청난 성과로 기록될 것입니다."

코로나19: 모든 변이 대응 가능한 '범용 백신'을 찾아라 - BBC News 코리아

모든 코로나 변이와 싸울 '범용 백신'을 찾아라 - BBC News 코리아